CN108474678B - 一体式科里奥利质量流量计 - Google Patents

Abstract

一种一体式流量计，包括支撑件和与支撑件成一体的一个或多个流动敏感元件。通过使用注射成型工艺形成支撑件，所述注射成型工艺将材料包覆成型在流动敏感元件的外表面上。用于支撑件的材料和用于流动敏感元件的材料优选是聚合物材料。

Description

一体式科里奥利质量流量计

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年11月24日提交的标题为“Method of Manufacturing anWeld-Less Coriolis Mass Flow Rate Sensor from a Polymeric Material”的美国临时申请序列号62/259,611的权益，通过引用的方式将其全部内容并入本文中。

技术领域

本公开总体涉及科里奥利质量流量计，并且更具体地涉及其中流动敏感元件和支撑结构成一体的一体式科里奥利质量流量计，并且还涉及制造这种科里奥利质量流量计的方法。

背景技术

科里奥利质量流量计(在本文中也称为“流量计”)基于科里奥利原理测量流过管的流体的质量流率。典型的配置采用一个或两个管，流体流过该管并以受控的方式振荡。测量科里奥利引起的偏转或这种偏转对管子的影响，以计算流过传感器的流体的流体质量流率。另外，还可以通过测量传感器的共振频率相对于流体密度的变化来测量流体密度(与质量流速无关)。

一些传统的流量计使用金属合金流量管作为流动敏感元件。一些传统方法使用粘合剂将全氟烷氧基烷烃(PFAs)管状流动敏感元件附着到金属支撑物上。然而，流动敏感元件的连续振动导致胶接接头随着时间退化，从而恶化了这些传统流量计的完整性。另外，这些流量计的不同分立部件通常由具有不同热膨胀特性的不同材料制成。流动敏感元件和支撑件之间的耦合失去其完整性，这导致不受控制的振动，并且使这些装置的性能受损。

采用蚀刻的一些制造流量计的传统方法需要将管浸入含有乙二醇-二醚的加热浴中、并轻轻地搅拌。尽管增加了装置制造的成本和复杂性，但在一致的基础上，这种蚀刻工艺可能不一定产生适合流量计制造的管。

一些传统方法通过注射成型制造流量计并且通过芯模形成流动路径。芯模通常由低熔点易熔金属合金制成，该合金含有铋、铅、锡、镉和铟的混合物，熔点约为117华氏度。在制造流动敏感元件时，在在超过5000psi的压力下可以超过350华氏度的温度下，将热塑料注入模具中。这可能损害相对较窄且具有挠性的易熔金属芯。结果，流动敏感元件可能变形，从而使装置本身不可用。另外，金属原子可能与注入的塑料混合并嵌入其中，从而永久地污染流动敏感元件。这可能使该装置不适用于需要高纯度工艺的应用，例如半导体、制药或生物制药应用。此外，通过传统注射成型工艺制造的流量计的不同部件必须都具有相似的厚度，这可能导致结构和/或动态设计限制或妥协，这可能不利地影响和/或限制流量计的性能。

一些传统的制造工艺采用二次操作来制造流体通道。例如，一些过程钻穿流体通道穿过由单片聚合物材料加工而成的整个结构。或者，一些方法通过组合在模具中使用的固体芯和/或部件从它的模具上移除后的二次钻孔操作来形成流动通道。来自取芯或钻孔的外部孔通过焊接或其他合适的步骤填充。在模具和/或钻孔内形成具有实心芯的流动通道可能必然需要流体通道具有较大的壁厚，这可能在低流速下限制这些装置的灵活性和测量灵敏度。

进一步，传统方法将流动敏感元件焊接到支撑件上以制造流量计。流动敏感元件和支撑件通常由相同的聚合物材料制成。然而，这些支撑件通常包括相当多的聚合物材料并增加所用材料的成本。另外，应用限制需要改变几个内径，这可能导致悬浮液固体和/或夹带的气体/气泡积聚。此外，管-支撑焊接过程的变化可引起从支撑件延伸的流动敏感元件的尺寸差异和刚度变化，导致流量计的两个半部不按设计振动。最后，焊接接头会不利地影响流动敏感元件的边界条件。

发明内容

本公开的实施例包括一体式科里奥利质量流量计和制造这些一体式科里奥利质量流量计的方法。一体式流量计包括支撑件和与支撑件一体式的一个或多个流动敏感元件。一个或一个流动敏感元件牢固地固定到支撑件上、并延伸穿过支撑件。一个或多个流动敏感元件的从支撑件的前部延伸的部分被构造成振动。在一些实例中，流动敏感元件由具有相对薄的壁(例如，小于或等于1mm)的聚合物管制成。结果，即使在低流体流速下，如本文所述的流量计也具有改进的流量和密度测量灵敏度。由于流体路径仅由流动敏感元件构成，并且沿流体路径没有尺寸(例如，直径)变化，因此如本文所述的流量计提供精确的测量。

支撑件提供流量计的结构支撑。支撑件夹固流动敏感元件。使用注射成型工艺形成支撑件，该注射成型工艺将支撑材料包覆成型在流动敏感元件的外表面上。可以使用工具在注射成型过程中将流动敏感元件保持就位。金属杆可以插入到流动敏感元件中，以防止流动敏感元件截面变形。用于支撑件的材料和用于流动敏感元件的材料优选是聚合物材料。消除了金属污染的风险，并且可以使如本文所述的流量计适用于高纯度应用。

支撑件可以包括一体成型特征，例如一个或多个端口延伸部、和连接相邻端口延伸部的隔离板。隔离板建立了流动敏感元件的振动的边界条件。流动敏感元件由具有第一热膨胀系数(“CTE”)的第一材料制造。通过在流动敏感元件的外表面上包覆模制具有第二CTE的第二材料来制造该支撑件(S)。第二CTE基本上接近或小于第一CTE。即使在温度变化时，支撑件仍保持夹紧流动敏感元件以保持其相对位置。第二材料的刚度(即刚性或弹性模量)还可以超过第一材料的刚度，和/或第二材料的阻尼系数可以比第一材料的阻尼系数小。由于流动敏感元件与支撑件一体成型而没有诸如焊接或粘接接头的任何接头，因此确保了流量计的完整性和可靠性。因此，与传统流量计相比，如本文所述的流量计具有改进的可靠性。

附图说明

图1A和图1B示出根据一个实施例的示例性一体式科里奥利质量流量计的侧视透视图和后视透视图。

图2示出了根据另一个实施例的示例性一体式科里奥利质量流量计的正面透视图。

图3A示出了根据一个实施例的具有附加的一体式特征的支撑件的正面透视图。

图3B示出了根据一个实施例的不具有图3A的附加一体式特征的支撑件的正面透视图。

图4A至图4D示出根据各种实施例的具有不同形状的示例性流动敏感元件的平面图。

图5A至图5D示出根据一个实施例的制造一体式科里奥利质量流量计的示例性过程。

图5E是示出根据一个实施例的制造科里奥利质量流量计的示例性过程的流程图。

图6A和图6B示出了根据另外的实施例的制造一体式科里奥利质量流量计的示例性过程。

图7示出了根据一个实施例的示例性一体式科里奥利质量流量计组件。

附图仅出于说明的目的描绘了本公开的各种实施例。本领域技术人员将从以下讨论中容易地认识到，本文所示的结构和方法的替代实施例可以被采用而不脱离本文所述的原理。

具体实施方式

示例性科里奥利质量流量计

图1A和图1B示出根据一个实施例的示例性科里奥利质量流量计100的侧视透视图和后视透视图。科里奥利质量流量计(在此也称为“流量计”)100可以根据下面参考图5A到图6进一步描述的方法制造。流量计100包括流动敏感元件102a-b、和保持流动敏感元件102a-b的动态响应支撑件(在此也称为“支撑件”)104。流动敏感元件102-b是中空的、并且具有管状截面，以允许流体流过它们。在所示的示例中，每个流动敏感元件102a-b都具有曲线形状并且是相同的。在该示例中，流动敏感元件是U形的，具有由支撑件保持的直的管状的腿。使用曲线形流动敏感元件的一个优点是没有角，因此沿流体路径的方向没有突然变化。因此，消除了悬浮液固体颗粒在流动敏感元件内的可能积聚，这种积聚会导致压降增加、或导致流动敏感元件移动离开支撑件而产生颗粒污染。

流动敏感元件102a-b由具有第一热膨胀系数(“CTE”)的第一材料制成。在各种实施例中，流动敏感元件102a-b由可商购或定制的聚合物材料制成。聚合物材料的示例包括但不限于：全氟烷氧基烷烃(PFAs)、聚醚醚酮(PEEK)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)和氟化乙烯丙烯(FEP)。流动敏感元件102a-b优选是具有相对薄的壁的管。每个流动敏感元件102a或102b的壁的厚度103小于预定阈值(例如，小于1mm)。具有相对薄的壁的流动敏感元件更柔韧。因此，使用具有薄的壁的流动敏感元件的流量计具有改进的流量和密度测量灵敏度，即使在低流体流速下也是如此。

其他实施例可包括以其他形式成形的流动敏感元件，例如正方形或矩形形式402、三角形形式404、椭圆形形式406和直线形形式408，分别如图4A至图4D所示。流量计可以包括任何数量的流动敏感元件。例如，如图2中所示的示例性流量计200仅包括一个“U”形管状的流动敏感元件102。

在图1中，流动敏感元件102a-b是由单一材料构成的整体部件，并且也与支撑件104形成一体。流动敏感元件102a-b具有平行的管状的腿，这些腿固定到支撑件104上、并延伸穿过支撑件104。具体来说，对于每个流动敏感元件而言，每个直的腿部分的一段被固定到支撑件104，并且弯曲部分、和直的腿部分的其余部分从支撑件104延伸。流动敏感元件102a-b的从支撑件104的前端部延伸的部分被配置为振动。流体材料被引导到流动敏感元件102a-b的从支撑件104的后端部延伸的部分。如图所示，流体材料以液压并联的方式流过流动敏感元件。或者，流体材料可以液压串联的方式流过流动敏感元件。

示例性动态响应支撑件

支撑件104为流量计100提供结构支撑。支撑件104保持流动敏感元件102a-b，并与流动敏感元件102a-b一体成型在一起。在下面描述的包覆成型制造方法中，支撑件104与流动敏感元件102a-b一体成型在一起，使得支撑件夹紧每个流动敏感元件102a-b的两个腿的外表面，而无需使用单独的胶粘剂。支撑件104由具有第二CTE的第二材料制成。通过使用包覆成型工艺制造支撑件104，该工艺在流动敏感元件的腿上模制第二材料。因此，支撑件104由单个的整件第二材料构成。支撑件104包括管状通道，流动敏感元件102a-b延伸穿过该管状通道。支撑件104还包括在前端部和后端部上的端口，其允许流动敏感元件102a-b穿过。例如，如图1B所示，支撑件104的后端部包括端口107。如图3B所示，支撑件104的前端部包括端口109。

支撑件104夹紧流动敏感元件102a-b。因为第二材料的第二CTE基本上接近或小于第一材料的第一CTE，所以当温度升高时，支撑件104以比流动敏感元件102a-b更慢的速率膨胀、并且保持对流动敏感元件102a-b的夹紧力。即使在温度下降时也能保持夹紧力。第二材料优选地也是聚合物材料，其可以与第一材料相同或不同。在一个实施例中，第二材料是玻璃填充的聚碳酸酯。如本文所述，“基本上接近”是指第一CTE和第二CTE之间的差在本领域技术人员可接受的预定公差范围内。在各种实施例中，预定公差可以是例如a 1％公差、a2％公差、a 5％公差等。所示附图中的一些线是绘图软件的人工产物，或被包括以便于说明，而不代表分立部件之间的连接——所有附图中的支撑件104都是单个整体部件。在一些实施例中，第二材料的刚度(即，刚性或弹性模量)超过第一材料的刚度。第二材料的阻尼系数也小于第一材料的阻尼系数。这是为了确保支撑件提供更加坚固和恒定的边界条件来终止管状的流动敏感感元件的振动。

支撑件104还可以包括影响流量计100的动态响应特性的额外的一体成型特征。例如，支撑件104的前端部包括一个或多个一体成型的端口延伸部108，其夹紧每个流动敏感元件102a-b的两个腿。支撑件104的前端部还包括隔离板106，隔离板106连接相邻的端口延伸部108。隔离板106与端口延伸部108一体成型，两者都与支撑件104形成一体。每个端口延伸部108的内表面接触对应的流动敏感元件的腿的外表面。在一些实施例中，流动敏感元件的由包括端口延伸部108的支撑件104夹紧的腿的外表面被粗糙化。隔离板106建立流动敏感元件102a-b的振动的边界条件。流动敏感元件102a-b可以类似于音叉地以相反的相位(即“反相”)振动，或者和谐振动(即，对称地“同相”)。隔离板106对流量计的动态频率响应特性产生重大影响。取决于支撑件104的安装刚性以及流动敏感元件102a-b的材料和尺寸，同相振动的固有频率可以接近(如果不相同的话)反相振动的固有频率。当两个频率彼此更接近时，流量计100的不稳定风险也增加，因为振动激发能量将在两个振动模式之间不可控地共享。因此，充分分离固有频率以防止流量计100发生故障是很重要的。隔离板106用于此目的。隔离板106使得流动敏感元件102a-b的不同部段以同相模式和反相模式振动，并产生分离两个频率的明确限定的振动边界条件。隔离板106的尺寸和厚度可以根据流量计100的频率响应特性来配置。具有和不具有一体成型特征的支撑件104的前视透视图在图3A和图3B中示出。再次请注意，所示附图中的一些线是绘图软件的人工产物，或者为了便于说明而包括在内。例如，在图3A中，支撑件104的主体、端口延伸部108和隔离板106并不是随后被组装的单独部件。相反，它们被形成为一个一体成型件，例如通过如下所述的模制。

图4A至图4D示出了根据各种实施例的具有不同形状的示例性流动敏感元件的平面图。所示出的示例性流动敏感元件402,404,406和408全部是中空的、并且允许流体流过它们。每个流动敏感元件402,404,406和408可以包括管状的截面。类似于先前关于图1A至图3B描述的支撑件104的支撑件，可以模制在流动敏感元件402,404或406的两个腿的外表面上，以制造类似于如图1A至图2所示的流量计的流量计。类似地，可以在流动敏感元件408上模制结构类似的支撑件，其中流动敏感元件408的两个端部自支撑件延伸，支撑件的前端部和后端部都包括隔离板。或者，可以在流动敏感元件408上模制两个支撑件：一个支撑件模制在流动敏感元件408的一个端部上，另一个支撑件模制在流动敏感元件408的另一个端部上。

制造流量计的示例性过程

图5A至图5D示出了根据一个实施例的制造过程的透视图，其中支撑件104被包覆模制在流动敏感元件102上，从而形成一体式的科里奥利质量流量计。图5E是示出相应制造过程的流程图。如图5A所示，工具502在包覆成型过程中将流动敏感元件102b保持就位550。在该示例中，工具502包括两个部件，其中一个部件保持流动敏感部件102的两个腿的端部，并且其中一个部件保持流动敏感部件102的U形弯曲部。其他类型的工具将是明显的。

图5B和图5C示出了在流动敏感元件102上闭合552的两部件式模具504。图5B仅示出了模具504的底部部件，从而可以看到用于形成支撑件104的腔506。为方便起见，腔506显示为团块状、而不是实际的复杂形状。在图5C中，模具504闭合，其中模具的两个部件围绕流动敏感元件102的两个腿。在一些实施例中，流动敏感元件的外表面具有粗糙的光洁度，例如，至少部分地在被支持件包围的部段中。外表面可以通过管挤出工艺而粗糙化。当支撑件104被包覆模制在流动敏感元件102的腿上时，工具502保持流动敏感元件102。

使用注射成型工艺来制造支撑件104。在低于流动敏感元件102的材料的玻璃化转变温度的温度下，将用于支撑件的材料注射554到模具504中。材料在高于流动敏感元件102的温度下熔化并被注射。当注射的材料冷却556时，支撑件包覆模制在流动敏感元件的腿上。支撑件中的管状通道在冷却期间收缩，从而夹紧在流动敏感元件的管状的腿上。当用于支撑件104的材料与流动敏感元件102的材料相同时，在支撑件104和流动敏感元件之间形成的凝聚结合强化了夹紧力。在一些实施例中，当将支撑件104模制到流动敏感元件102的外表面上时，可将杆插入流动敏感元件102中，以防止流动敏感元件102变形、并确保截面保持管状。这是因为当在流动敏感元件102上模制支撑件104时，流动敏感元件102受到沿截面方向的力，使得支撑件104紧紧地夹持流动敏感元件102。

在图5D中，模具504已经打开，释放558一体成型的科里奥利质量流量计。相比于包括附接到管的、物理上分离的隔离板的传统流量计，如本文所述的一体成型流量计包括在结构上与隔离板一体成型的支撑件。一个好处是更简单的制造。另外，如本文所述的制造方法确保了用于终止管状的流动敏感元件的振动的更坚固和恒定的边界条件，而无论管的形状如何。制造如本文所述的一体成型流量计还允许更大的设计灵活性(例如，隔离板的厚度和分离)，允许将支撑件模制到各种管形状上，而无需将隔离板单独地附接到管。

图5A至图5E的示例显示了单个流动敏感元件。但是，相同的方法可以与多个流动敏感元件一起使用。图6A和图6B是图5C的对应示例，但用于具有两个流动敏感元件的科里奥利质量流量计。在这种情况下，使用不同的模具(例如，三部件式模具)。在图6A中，三个部件相对于流动敏感元件定向在一个方向上。在图6B中，它们相对于流动敏感元件定向在垂直方向上。

示例性科里奥利质量流量计组件

图7示出根据一个实施例的一体成型式科里奥利质量流量计组件700。流量计100由电磁驱动器组件驱动。电磁驱动器包括安装到横向构件704的磁体702、和安装到横向构件708的线圈706。横向构件704、708分别附接到流量计100的流动敏感元件102a、102b。当适当的正弦信号被施加到线圈706时，流动敏感元件102a和102b被驱动成以相反相位模式振动。

运动传感器(也称为感应“拾取器”或“速度传感器”)——包括位于流动敏感元件102a、102b的相对侧上的磁体/线圈对710、714和712、716——检测由流过流动敏感元件102a、102b的流体产生的科氏力。流动敏感元件102a和102b的运动在被安装到横向构件708的线圈714、716中感应地产生。线圈714、716是包括被安装在横向构件704上的相应磁体710、712的运动响应磁体-线圈对的一部分。在流量计仅包括一个振动流动敏感元件的情况下，磁体可以直接附接到流动敏感元件，并且线圈可以附接到牢固安装的平台(未示出)。

当检测由于施加的激发运动而在流动敏感元件102a、102b中产生的运动时，运动传感器输出表示来自质量流量引起的科氏力的贡献的信号。来自这些运动传感器的输出信号例如通过传输电路722传输到仪表电子设备720。仪表电子设备720处理所接收的信号，并将指示流体材料质量流速的信息输出到显示器724，例如通过信号路径526。也可以使用其他类型的运动传感器，例如光学传感器。

本发明的实施例的前述描述已经出于说明的目的呈现；这并不是穷尽性的或将本发明限制于所公开的确切形式。相关领域的技术人员可以理解，鉴于以上公开内容，许多修改和变化是可能的。说明书中使用的语言主要是出于可读性和指导目的而选择的，并且可能未选择它来描绘或限制本发明的主题。因此，本发明的范围旨在不受该详细描述的限制，而是受基于此处的申请发布的任何权利要求的限制。因此，本发明的实施例的公开内容旨在说明而非限制本发明的范围，本发明的范围在所附权利要求中阐述。

Claims (21)

1.一种一体式科里奥利质量流量计，包括：

流动敏感元件，所述流动敏感元件具有两个管状的腿；和

包覆成型在所述流动敏感元件上的支撑件，其中所述支撑件的刚度超过所述管状的腿的刚度，每个所述管状的腿延伸穿过所述支撑件，并且所述支撑件夹紧每个所述管状的腿。

2.根据权利要求1所述的一体式科里奥利质量流量计，其中所述流动敏感元件具有管状的截面。

3.根据权利要求2所述的一体式科里奥利质量流量计，其中所述流动敏感元件的壁的厚度小于1mm。

4.根据权利要求1所述的一体式科里奥利质量流量计，其中所述流动敏感元件是管状的流动敏感元件。

5.根据权利要求4所述的一体式科里奥利质量流量计，其中所述管状的流动敏感元件是由单一材料构成的一体的流动敏感元件。

6.根据权利要求4所述的一体式科里奥利质量流量计，其中所述管状的流动敏感元件具有无角的形状。

7.根据权利要求4所述的一体式科里奥利质量流量计，其中，所述管状的流动敏感元件具有曲线形状。

8.根据权利要求4所述的一体式科里奥利质量流量计，其中所述管状的流动敏感元件由聚合物材料构成。

9.根据权利要求8所述的一体式科里奥利质量流量计，其中所述聚合物材料选自包含下列各项的组：全氟烷氧基烷烃(PFAs)、聚醚醚酮(PEEK)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)和氟化乙烯丙烯(FEP)。

10.根据权利要求8所述的一体式科里奥利质量流量计，其中用于所述支撑件的材料是第二聚合物材料。

11.根据权利要求8所述的一体式科里奥利质量流量计，其中用于所述支撑件的材料是玻璃填充的聚碳酸酯。

12.根据权利要求1所述的一体式科里奥利质量流量计，其中所述支撑件包括夹紧所述管状的腿的端口延伸部。

13.根据权利要求1所述的一体式科里奥利质量流量计，其中所述支撑件的热膨胀系数等于或小于所述管状的腿的热膨胀系数。

14.根据权利要求1所述的一体式科里奥利质量流量计，还包括：

附加的流动敏感元件，所述附加的流动敏感元件具有附加的两个管状的腿，其中所有的所述管状的腿是平行的，并且其中所述支撑件包覆成型在所述附加的流动敏感元件上，其中所有的所述管状的腿延伸通过所述支撑件，并且所述支撑件夹紧每个所述管状的腿。

15.根据权利要求14所述的一体式科里奥利质量流量计，其中所述支撑件包括隔离板，所述隔离板建立所述流动敏感元件的振动的边界条件。

16.一种制造根据权利要求1所述的一体式科里奥利质量流量计的方法，包括：

在所述流动敏感元件上闭合用于所述支撑件的模具，将所述模具定位成形成所述支撑件；

将用于支撑件的材料注射到所述模具中，所述材料在不超过用于所述流动敏感元件的材料的玻璃化转变温度的温度下被注射；

冷却注射的材料；以及

从所述模具中释放所述支撑件和所述流动敏感元件。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：

当用于所述支撑件的材料被注射到所述模具中时，通过工具将所述流动敏感元件保持在固定位置。

18.根据权利要求16所述的方法，还包括：

当用于所述支撑件的材料被注射到所述模具中并且冷却时，将杆插入所述管状的腿中、并且将杆保持在所述管状的腿中。

19.根据权利要求16所述的方法，其中定位所述模具还包括在附加的流动敏感元件上闭合所述模具，所述附加的流动敏感元件具有附加的两个管状的腿，将所述模具定位成形成所述支撑件，其中所有的所述管状的腿延伸通过所述支撑件，由此所述支撑件被包覆成型在所有的所述流动敏感元件上，并且所述支撑件夹紧在所有的所述管状的腿上。

20.一种一体式科里奥利质量流量计，包括：

流动敏感元件，所述流动敏感元件具有两个管状的腿；和

包覆成型在所述流动敏感元件上的支撑件，其中所述支撑件的阻尼系数小于所述管状的腿的阻尼系数，每个所述管状的腿延伸穿过所述支撑件，并且所述支撑件夹紧每个所述管状的腿。

21.根据权利要求20所述的一体式科里奥利质量流量计，其中所述流动敏感元件由聚合物材料构成，并且其中所述支撑件的热膨胀系数等于或小于所述管状的腿的热膨胀系数。

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